Wie Pflanzen mit Eisenmangel umgehen: Botanik

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Pflanzen passen die Effizienz der Wurzeleisengewinnung an den aktuellen Eisenbed

Pflanzen passen die Effizienz der Wurzeleisengewinnung an den aktuellen Eisenbedarf für Wachstum und Entwicklung an. Kalziumsignale werden durch Eisenmangel ausgelöst und durch ein CBL-CIPK-Modul entschlüsselt. Diese Information wird weitergeleitet und das Effektorprotein FIT aktiviert. FIT ist ein Hauptregulator für die Gewinnung von Eisen aus dem Boden in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. © HHU / Tzvetina Brumbarova

Eisen ist ein lebenswichtiger Nährstoff für Pflanzen, Tiere und auch den Menschen. Es wird für vielfältige Stoffwechselvorgänge benötigt, zum Beispiel für die Photosynthese und die Atmung. Fehlt dem Menschen Eisen, führt dies zu erheblichen gesundheitlichen Einschränkungen, die weltweit Jahr für Jahr Millionen von Menschen betreffen. Eisen gelangt durch Pflanzen direkt oder indirekt in die Nahrungskette von Menschen. Auch wenn Eisen im Boden grundsätzlich in großer Menge vorhanden ist, kann es aufgrund der konkreten Bodenbeschaffenheit zu Eisenmangel bei Pflanzen kommen. Auch variiert der Bedarf einer Pflanze an Eisen im Laufe ihrer Entwicklung abhängig von äußeren Lebensumständen.

Da Pflanzen ortsfest sind, können sie nicht aus ihrer jeweiligen Situation fliehen. Sie entwickelten deshalb Strategien, um wechselnde Umweltbedingungen frühzeitig erkennen zu können und sich daran anzupassen. Das Verständnis der Prozesse, wie sich Pflanzen auf eine schwankende Nährstoffversorgung bei unberechenbaren Umweltfaktoren einstellen, ist auch für die Landwirtschaft und die mit ihr zusammenarbeitende Forschung von großer Bedeutung, wenn es darum geht, neue Nutzpflanzensorten zu züchten, die hohe Erträge gerade angesichts des Klimawandels erzielen.

Die Eisenregulation ist ein wichtiges Modellsystem in der Pflanzenbiologie, um die Verstrickung zellulärer Regulationsprozesse und die damit verbundenen Signalwege in der Pflanze zu verstehen. Forscherinnen und Forscher von der HHU um Petra Bauer und ihre Mitarbeiterin Dr. Tzvetina Brumbarova und an der WWU um Jörg Kudla und Uwe Karst haben die speziellen Mechanismen und die Dynamik eines Proteins namens „FIT“ bei der Eisenaufnahme untersucht und zelluläre Informationsprozesse aufgedeckt, welche auf FIT einwirken.

Das FIT-Protein wurde von Bauers Arbeitsgruppe entdeckt und seine Regulationsmechanismen werden am Institut für Botanik der HHU untersucht. FIT kann in einem aktiven und einem inaktiven Zustand vorliegen. Bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ist es maßgeblich für die Regelung der Eisenaufnahme verantwortlich. Wie die Pflanze jedoch entscheidet, wieviel Eisen sie aufnimmt und wie sie diese Information an den Regulator FIT überträgt, ist Gegenstand der aktuellen Forschung an der HHU. über den in Düsseldorf beschriebenen FIT-Regulationsmechanismus werden verschiedene Signale zusammengeführt, mit denen die Pflanze auf Umweltund Stressbedingungen reagiert.

Die münsterschen Pflanzenbiologen um Prof. Kudla vom Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen sind spezialisiert auf das Verstehen der sogenannten zellulären Signaltransduktion, insbesondere der Kalzium-Signaltransduktion. Dabei handelt es sich um eine Signalübermittlung, bei der die Pflanze Umweltinformationen umwandelt, weiterleitet und beispielsweise Stressantworten auslöst - oder wie jetzt gezeigt den besseren Umgang mit Eisenmangel. Dazu hat das Team des WWU-Institutes für Anorganische und Analytische Chemie um Prof. Karst die Analytik der Eisenkonzentration in den Pflanzen vorgenommen.

Was Eisen mit Kalzium genau zu tun hat, war bislang unklar. Nun fanden die Forschungsteams an der HHU und WWU heraus, dass Eisenmangel Kalzium-Signale auslöst und dadurch den FIT-Regulationsmechanismus maßgeblich beeinflusst. In der in Developmental Cell veröffentlichten gemeinsamen Studie beschreiben die Forschungsteams, dass das mit der Kalziumdetektion zusammenhängende Enzym CIPK11 mit dem FIT-Protein interagieren und dieses markieren kann. Letztlich kann die Pflanze durch diese FIT-Aktivierung die Eisenaufnahme über die Wurzeln und die Eisenspeicherung in den Samen steuern.

„Wir konnten molekularen und zellulären Mechanismen auf die Spur kommen, die FIT mit der Entschlüsselung von Kalziumsignalen verknüpfen. Dies wiederum ist wichtig, wenn die Pflanze die Eisenaufnahme abhängig von äußeren Faktoren steuern muss“, so Dr. Brumbarova und Bauer. Prof. Kudla ergänzt: „Unsere Entdeckung hat Einfluss auf biologische und auch medizinische Fragestellungen, bei denen es um Nährstoffe, Entwicklungsprozesse und Stressverhalten geht.“

Originalpublikation

Regina Gratz, Prabha Manishankar, Rumen Ivanov, Philipp Köster, Inga Mohr, Ksenia Trofimov, Leonie Steinhorst, Johannes Meiser, Hans-Jörg Mai, Maria Drerup, Sibylle Arendt, Michael Holtkamp, Uwe Karst, Jörg Kudla, Petra Bauer, and Tzvetina Brumbarova, CIPK11-dependent phosphorylation modulates FIT activity to promote Arabidopsis iron acquisition in response to calcium signaling, Developmental Cell (2019). DOI: 10.1016/j.devcel.2019.01.006

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